微生物培養における生物活性代謝産物生産の改善 - OSMACおよびデコンボリューションベースの1 HNMR定量によるシステムアプローチ

伝統的に、微生物マトリックスにおける代謝物のスクリーニングは、単一栽培によって行われます。それにもかかわらず、自然界で一般的に観察される生物的および非生物的相互作用の欠如は、化学の多様性を依然として制限し、「より貧しい」化学プロファイルにつながります。現在、これらの沈黙した生合成経路を誘導するために、謎めいた遺伝子が活性化される条件を決定するためのいくつかの方法が開発されています。これらの中で、1つの株、多くの化合物（OSMAC）戦略が適用され、成長パラメーターの体系的な変動によって代謝産生を強化しています。OSMAC実験からの化学プロファイルの複雑さは、ますます堅牢で正確な技術が必要です。この意味で、デコンボリューションベースの1 HNMR定量化は、複雑さを減らし、メタボロミクス研究の包括的な視点を提供する有望な方法論として浮上しています。私たちの現在の研究は、微生物源からの化合物の生産の増加と迅速な定量化のための統合戦略を示しています。具体的には、実験のOSMAC設計（DOE）を使用して、生物活性フューサラ酸、シトカラシンDおよび3-ニトロプロピオン酸の微生物産生、および全体的なスペクトルデコンボリューション（GSD）ベースの1 HNMR定量化を測定のために実施しました。結果は、OSMACが代謝物の生産を最大33％増加させ、GSDが非常に合体スペクトル領域でも正確なNMR積分を抽出できることを示しました。さらに、GSD-1 HNMRの定量化はすべての種で再現可能であり、比較方法よりも選択的で正確な検証済みの結果を示しました。全体として、この戦略は、減少した実験を使用して重要な代謝物を上方制御し、生の抽出物で直接高速分析物モニターを提供しました。

Traditionally, the screening of metabolites in microbial matrices is performed by monocultures. Nonetheless, the absence of biotic and abiotic interactions generally observed in nature still limit the chemical diversity and leads to "poorer" chemical profiles. Nowadays, several methods have been developed to determine the conditions under which cryptic genes are activated, in an attempt to induce these silenced biosynthetic pathways. Among those, the one strain, many compounds (OSMAC) strategy has been applied to enhance metabolic production by a systematic variation of growth parameters. The complexity of the chemical profiles from OSMAC experiments has required increasingly robust and accurate techniques. In this sense, deconvolution-based 1 HNMR quantification have emerged as a promising methodology to decrease complexity and provide a comprehensive perspective for metabolomics studies. Our present work shows an integrated strategy for the increased production and rapid quantification of compounds from microbial sources. Specifically, an OSMAC design of experiments (DoE) was used to optimize the microbial production of bioactive fusaric acid, cytochalasin D and 3-nitropropionic acid, and Global Spectral Deconvolution (GSD)-based 1 HNMR quantification was carried out for their measurement. The results showed that OSMAC increased the production of the metabolites by up to 33% and that GSD was able to extract accurate NMR integrals even in heavily coalescence spectral regions. Moreover, GSD-1 HNMR quantification was reproducible for all species and exhibited validated results that were more selective and accurate than comparative methods. Overall, this strategy up-regulated important metabolites using a reduced number of experiments and provided fast analyte monitor directly in raw extracts.